水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐曉莉， 劉 哲， 鈕月磊， 李書明

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司， 南京 210061；2.廈門水務(wù)原水投資運(yùn)營(yíng)有限公司， 廈門 361000)

隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展和“智慧水利”的提出，水利運(yùn)維作為水利工作最重要的一部分，實(shí)現(xiàn)其智能化管理是建設(shè)智慧水利的必然要求[1]。傳統(tǒng)的水利運(yùn)維系統(tǒng)解決了多個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸、集成和共享的問題，并提供了一定的輔助決策支持[2]。但是大多利用運(yùn)維人員和專家積累的經(jīng)驗(yàn)等淺層知識(shí)指導(dǎo)故障診斷和運(yùn)維工作開展，這類方法在復(fù)雜水利系統(tǒng)高維故障特征、小樣本的情況下效果還不夠理想[3]。另外，傳統(tǒng)的水利運(yùn)維系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間各自獨(dú)立運(yùn)行，故障診斷完成后，仍需再次登錄生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行流程的提交與處理，故障處理結(jié)果也無法及時(shí)向運(yùn)維系統(tǒng)反饋，造成資源浪費(fèi)的同時(shí)，也大大降低了整體運(yùn)維工作的效率。

長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐工程是廈漳2市共同依托九龍江流域，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨流域水資源配置的重要工程，是水利部全國(guó)172個(gè)重大節(jié)水供水水利項(xiàng)目之一。工程位于長(zhǎng)泰縣枋洋鎮(zhèn)，由上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩及溪口-許莊引水隧洞組成。針對(duì)當(dāng)前水利運(yùn)維和管理所面臨的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)一套科學(xué)決策支持的綜合信息化管理系統(tǒng)，以滿足枋洋水利樞紐日常運(yùn)維和管理的各項(xiàng)工作需求。系統(tǒng)借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)，統(tǒng)籌和推進(jìn)樞紐各項(xiàng)工作的有序開展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的全面共享、工程全要素信息的可視化管理、設(shè)備的高效運(yùn)維及生產(chǎn)的流程化管理，促進(jìn)管理決策科學(xué)化[4]。

1 一體化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建設(shè)的根本目的是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的一體化管理，因而設(shè)計(jì)將水利運(yùn)維所有的工作集中在一個(gè)平臺(tái)上處理。從數(shù)據(jù)采集、征兆獲取、故障診斷、運(yùn)維預(yù)案、人員調(diào)配到運(yùn)維過程記錄，全部由一個(gè)平臺(tái)統(tǒng)一完成，以此加強(qiáng)運(yùn)維工作的協(xié)調(diào)性，保證運(yùn)維工作的高效進(jìn)行。設(shè)計(jì)將系統(tǒng)從功能上分為工程信息管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)警、生產(chǎn)綜合管理4個(gè)模塊。一體化運(yùn)維流程及各模塊關(guān)系如圖1。

圖1 一體化運(yùn)維流程

由工程信息管理模塊完成水利工程各類基礎(chǔ)信息的采集，如生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)、工程技術(shù)資料等，為故障診斷和預(yù)警提供信息化支持。生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成監(jiān)測(cè)模塊提供實(shí)時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障的快速響應(yīng)，便于及時(shí)掌握風(fēng)險(xiǎn)和隱患。巡檢發(fā)現(xiàn)的缺陷及異常也是故障征兆獲取的重要數(shù)據(jù)來源。故障診斷與預(yù)警模塊通過數(shù)據(jù)分析定位故障源，由生產(chǎn)綜合管理模塊推送運(yùn)維工單，派發(fā)給相應(yīng)運(yùn)維人員。運(yùn)維人員處理完成后，管理人員對(duì)運(yùn)維實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后將故障診斷結(jié)果、運(yùn)維過程及處理結(jié)果等歷史數(shù)據(jù)反饋到整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)迭代學(xué)習(xí)，從而變得更加準(zhǔn)確和有效。

2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)采用“橫排功能、縱排內(nèi)容”的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，主要功能設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 工程信息管理

工程信息管理模塊提供枋洋水利樞紐工程基礎(chǔ)信息查詢，信息包括整個(gè)工程各個(gè)建筑物基本信息、設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)資料、安全規(guī)程、生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)等。本模塊旨在提供全方位的信息管理和信息服務(wù)，可根據(jù)用戶需求對(duì)查詢方式和查詢內(nèi)容進(jìn)行自定義，提供信息的上傳、查詢、預(yù)覽、下載及打印功能。根據(jù)查詢類型的不同，采用圖形、視頻、表格、曲線等多種形式顯示結(jié)果。不同的用戶角色具有不同的查詢權(quán)限。

2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成監(jiān)測(cè)

集成枋洋水利樞紐尚吉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(后期可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)充)，構(gòu)建水利物聯(lián)網(wǎng)，由運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用和展示，并對(duì)收集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果以統(tǒng)計(jì)報(bào)表、柱狀圖、過程線、餅狀圖等方式進(jìn)行展示。

此模塊用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，但不能對(duì)其進(jìn)行任何操作。既滿足了管理人員的工作需要，也避免誤操作導(dǎo)致的安全事故，充分保證生產(chǎn)的安全高效。

2.3 故障診斷與預(yù)警

故障診斷與預(yù)警模塊是確保樞紐健康運(yùn)行的關(guān)鍵所在，為水利運(yùn)維工作提供重要的輔助決策支持。模塊功能為(1)歷史故障：以友好的界面展示歷史故障信息及故障參數(shù)運(yùn)行情況；(2)故障診斷：實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和診斷分析，提供相應(yīng)的運(yùn)維預(yù)案；(3)故障預(yù)警：預(yù)估各個(gè)子系統(tǒng)故障發(fā)生情況并計(jì)算發(fā)生概率；(4)故障統(tǒng)計(jì)：按故障等級(jí)、故障發(fā)生時(shí)間、故障設(shè)備類型等屬性對(duì)故障進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。

2.4 生產(chǎn)綜合管理

生產(chǎn)綜合管理模塊涵蓋了樞紐日常生產(chǎn)運(yùn)行中的全部工作，旨在建立完善的業(yè)務(wù)處理系統(tǒng)，采用基于Activiti的智能工作流管理，實(shí)現(xiàn)無紙化、流程化的高效辦公[5]。

基于枋洋水利樞紐的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和管理特點(diǎn)，生產(chǎn)綜合管理模塊功能設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 生產(chǎn)綜合管理子模塊功能結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 工程信息管理

長(zhǎng)泰枋洋水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)采用ElasticSearch作為系統(tǒng)信息檢索引擎，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)搜索的實(shí)時(shí)性能支持，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)存儲(chǔ)的所有字段都可以建立索引進(jìn)行搜索操作，較短時(shí)間就可以存儲(chǔ)和搜索海量數(shù)據(jù)。信息查詢采用屬性查詢和空間查詢相結(jié)合的方式。

(1)屬性查詢：頁面選擇查詢的信息屬性，輸入內(nèi)容關(guān)鍵字，完成對(duì)枋洋水利工程相關(guān)信息資源的檢索。

(2)電子地圖查詢：點(diǎn)擊電子地圖相應(yīng)的工程鏈接位置，顯示當(dāng)前位置的工程屬性信息，包括工程特性、工程圖紙、工程照片和實(shí)時(shí)視頻等。

3.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成監(jiān)測(cè)

長(zhǎng)泰枋洋水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)與生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同步建設(shè)，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，提前考慮好與本系統(tǒng)的連接方式并預(yù)留了接口，對(duì)數(shù)據(jù)格式和信息編碼進(jìn)行了統(tǒng)一。

由于本系統(tǒng)需要將尚吉電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等安全性要求很高的生產(chǎn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)接入到網(wǎng)絡(luò)中來，這就容易對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生影響。因此需要對(duì)接入的系統(tǒng)安全分區(qū)。長(zhǎng)泰枋洋水利工程系統(tǒng)安全防護(hù)體系劃分成3個(gè)區(qū)：安全Ⅰ區(qū)(實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū))，安全Ⅱ區(qū)(在線監(jiān)測(cè)區(qū))，安全Ⅲ區(qū)(管理信息區(qū))。尚吉電站監(jiān)控系統(tǒng)及閘門運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)布置在安全Ⅰ區(qū)，經(jīng)物理隔離裝置，單向?qū)?shù)據(jù)上送至數(shù)據(jù)中心。大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置在安全Ⅱ區(qū)。運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)與視頻系統(tǒng)部署于安全Ⅲ區(qū)，在Ⅲ區(qū)交換機(jī)劃分VLAN，保證同區(qū)內(nèi)各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行。Ⅲ區(qū)與外部網(wǎng)絡(luò)間部署硬件防火墻，用于入侵監(jiān)測(cè)和安全訪問策略的控制。

3.3 故障診斷與預(yù)警

3.3.1 診斷方法

長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐設(shè)備數(shù)量繁多，構(gòu)成部件相互耦合。這導(dǎo)致了產(chǎn)生的故障種類多，故障原因復(fù)雜，診斷難度大。針對(duì)這種復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷，本系統(tǒng)采用了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Networks，DBN)的故障診斷方法進(jìn)行特征的提取和分類。

DBN是由多個(gè)受限玻爾茲曼機(jī)(Restricted Boltzmann Machine，RBM)疊加構(gòu)建的深度學(xué)習(xí)算法。它通過計(jì)算機(jī)仿真人類大腦的運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、分析和解讀輸入數(shù)據(jù)并形成診斷知識(shí)。DBN的基本結(jié)構(gòu)是由底層堆疊RBM和頂層的分類器組成，底層堆疊RBM完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和特征提取，頂層的分類器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有監(jiān)督的微調(diào)和數(shù)據(jù)的分類?；贒BN的強(qiáng)大的特征提取能力主要取決于底層堆疊RBM的學(xué)習(xí)過程，在數(shù)據(jù)降維重構(gòu)后仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)原本的特征，能夠在樣本有限的情況下，快速高效地完成特征的識(shí)別、提取和表達(dá)。

3.3.2 功能實(shí)現(xiàn)

建立枋洋水利樞紐故障診斷標(biāo)準(zhǔn)庫、運(yùn)維預(yù)案庫和實(shí)例庫，為故障診斷和故障預(yù)警提供有力支撐。

(1)故障診斷：根據(jù)報(bào)警信息或故障征兆，點(diǎn)擊診斷按鈕，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位和診斷分析。診斷頁面同時(shí)顯示故障關(guān)聯(lián)參數(shù)，點(diǎn)擊趨勢(shì)按鈕可查看參數(shù)在故障發(fā)生前后的波形曲線。根據(jù)故障診斷結(jié)果，通過大數(shù)據(jù)分析，推出運(yùn)維預(yù)案，查看并點(diǎn)擊確認(rèn)后，系統(tǒng)自動(dòng)推送給相應(yīng)運(yùn)維人員處理。

(2)故障預(yù)警：將當(dāng)前狀態(tài)下的設(shè)備各參數(shù)運(yùn)行情況與歷史故障狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行逐一對(duì)比分析，采用深度學(xué)習(xí)方法預(yù)估各個(gè)子系統(tǒng)故障情況并計(jì)算發(fā)生概率。同時(shí)結(jié)合離散分析，給出故障關(guān)聯(lián)參數(shù)的越限情況與波形曲線。

3.4 生產(chǎn)綜合管理

長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐日常的生產(chǎn)管理中，涉及許多復(fù)雜的申請(qǐng)、簽發(fā)、審批流程，例如兩票管理、停復(fù)役管理、缺陷管理等。為適應(yīng)生產(chǎn)管理流程靈活多變的特點(diǎn)，選用開源架構(gòu)的Activiti作為系統(tǒng)工作流引擎。在Activiti原有功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)封裝，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能夠快速響應(yīng)流程變更需求的流程設(shè)計(jì)器和表單設(shè)計(jì)器，使其能夠使用友好的操作界面，輕松便捷地進(jìn)行流程和表單的新建與修改。同時(shí)開發(fā)實(shí)現(xiàn)了任一節(jié)點(diǎn)的回退及會(huì)簽功能，以滿足枋洋水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)工作流應(yīng)用的特殊需求。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

長(zhǎng)泰枋洋水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)在總結(jié)國(guó)內(nèi)已有系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和不足的基礎(chǔ)上，充分借鑒吸收現(xiàn)代生產(chǎn)管理的理念和先進(jìn)的運(yùn)維技術(shù)，并結(jié)合生產(chǎn)業(yè)務(wù)實(shí)際需求，進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。頁面展示了生產(chǎn)實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)、樞紐內(nèi)外部重要信息，同時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行提醒和跟蹤，并提供信息快捷查詢通道。點(diǎn)擊頁面右上方警鈴圖標(biāo)，還可查看樞紐當(dāng)前報(bào)警信息，查看后可對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)診斷。

通過枋洋水利樞紐的系統(tǒng)建設(shè)，取得了一系列應(yīng)用成果：

(1)建設(shè)了覆蓋全樞紐的信息綜合查詢模塊，構(gòu)建企業(yè)知識(shí)庫，方便信息查詢調(diào)用。為枋洋各級(jí)各部門的人員提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的有關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行方面的綜合信息；

(2)匯接枋洋多個(gè)實(shí)時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)，集成上存水庫、尚吉電站、溪口閘壩等水利數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合展示和統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的全局掌握，加強(qiáng)了管理人員對(duì)枋洋整體安全隱患的控制能力；

(3)建立了枋洋故障診斷知識(shí)庫，使得運(yùn)維決策科學(xué)化、智能化，既降低了對(duì)運(yùn)維人員的依賴，減少了人力成本，而且使得運(yùn)維過程更加規(guī)范、準(zhǔn)確；

(4)完成了枋洋水利樞紐100多項(xiàng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)表單的梳理細(xì)化，規(guī)范和固化了生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程，建立了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理體系，實(shí)現(xiàn)了枋洋各項(xiàng)業(yè)務(wù)的閉環(huán)管理。

5 結(jié) 語

水利運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)將智能運(yùn)維與先進(jìn)信息技術(shù)、管理技術(shù)充分融合，最大程度實(shí)現(xiàn)人員和資源的優(yōu)化配置和統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)在長(zhǎng)泰枋洋水利樞紐工程中的成功應(yīng)用，為該系統(tǒng)的推廣做出了積極嘗試，為提高水利樞紐信息化管理水平提供了有力科學(xué)支撐。